Вентильный электропривод
Использование: в электроприводе с широким диапазоном регулирования частоты. Сущность: фазовый сдвиг между ЭДС вращения и током в синусной и косинусной фазах обмотки якоря синхронной машины, измеряемый блоком вычисления фазы, поддерживается равным нулю во всем диапазоне изменения скорости при произвольном положении статора синхронной машины и датчика положения ротора. Поддержание указанного фазового сдвига равным нулю осуществляется изменением напряжения возбуждения, подаваемого на квадратную отмотку датчика положения ротора. В результате повышается точность рёгулиррвания частоты вращения. 4 ил.
СОК)3 COBE ГСКИХ
СОЦИИ1ИСТИЧЕСКИХ
РГ.СПУБЛИК (я)я Н 02 Р 6/02
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ
ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 1713072 (21) 4799271/07 (22) 25.01,90 (46) 30,01,93, Бюл. hh 4 (71) Львовский научно-исследовательский . радиотехнический институт (72) P.È,×àéêîañêèé, Э.З.Тимощук, М.С.Музыка и M,Å.Ïàí÷àê (56) Авторское свидетельство СССР
М 1713072, кл. Н 02 P 6/02, 1988. (54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД (57) Использование: в электроприводе с широким диапазоном регулирования частоты.
Изобретение о носится к электротехнике, в частности к злектроприводам и системам автоматического управления, и может быть использовано в электроприводах с широким диапазоном регулирования частоты вращения и я ляется усовершенствованием технического решения по авт.св. М 1713072.
Известен вентильный электропривод по авт.св, (Ф 1713072, кл. Н 02 P 6/02, 1988, содержащий двухфазную синхронную машину, первыи и второй блоки умножения, первые входь которых объединены, а выходы через усилители мощности подключены соответственно к синусной и косинусной фазам обмотки якоря синхронной машины, датчик палом. ения ротора, установленный на валу ротора синхронной мишины, синусная и косинус ая выходные обмотки которого подключены через первый и второй фазочувствительные выпрямители ко вторым входам соогветственно первого и BTQрого блоков умножения, источник напряжения, выход которого подключен к обмо1ке возбуждения датчика положения
„„Я „„1791953 А2
Сущность; фазовый сдвиг между ЭДС вращения и током в синусной и косинусной фазах обмотки якоря синхронной машины, измеряемый блоком вычисления фазы, поддерживается равным нулю во всем диапазоне изменения скорости при произвольном положении статора синхронной машины и датчика положения ротора, Поддержание указанного фазового сдвига равным нулю осуществляется изменением напряжения возбуждения, подаваемого на квадратную отмотку датчика положения ротора, l3 результате повышается точйость регулирования частоты вращения, 4 ил. ротора и через формирователь опорного напряжения к опорным входам фазочувствител ьных вып рямителе й, задатчик частоты вращения, выход которого подключен к первому входу блока сравнения, второй вход д которого подключен к выходу датчика частоты вращения, а выход подключен через предварительный усилитель к первым входам первого и второго блоков умножения, выходы первого и второго фазочувстви ель- Q ных выпрямителей подключены к первому и Ql второму входам датчика частоты вращения, () составленного из двух алгебраических сумматоров, первого и второго блоков умножения, выходы которых подключены к соответствующим входам первого алгебраического сумматора. а также первого и второго апериодических звеньев, третьего и четвертого блоков умножения и блока целения, входы делимого и делителя котс рого подключены соотве с зенно к выходам первого и второго алгебраических сумматоров, а выход образует выход датчика частоты вращения, причем выход первого апериоди1791953
25
55 ческого звена подключен к первым входам первого и третьего блоков умножения датчика частоты вращения, а вход соединен со вторыми входами третьего и второго блоков умножения и образует первый вход датчика частоты вращения, выход второго апериодического звена подключен к первым входам второго и четвертого блоков умножения датчика частоты вращения, а вход соединен со вторыми входами первого и четвертого блоков умножения и образует второй вход датчика частоты вращения, выходы третьего и четвертого блоков умножения подключеныы соответственна к первому и второму входам второго алгебраического сумматора.
Недостатками такого вентильного электрапривода являются: — сложность конструкции, содержащей узлы, обеспечивающие взаимный разворот статорав датчика положения и синхронной машины, что обусловлено необходимость его настройки в процессе изготовления, заключающейся в развороте статора датчика положения относительно статора синхронной машины и фиксации углового положения статора датчика, соответствующего максимуму вращающего момента; — нелинейность регулировочных характеристик, обусловленная инерционностью усилителей мощности и фазочувствительных выпрямителей.
Целью изобретения является упрощение и увеличение точности регулирования частоты вращения путем повышения линейности регулировочных характеристик.
Для дости>кения поставленной цели вентильный электропривод содержит дополнительно два датчика тока, два блока вычисления ЭДС вращения, блок вычисления фазы, интегратор, суммматор, инвертор и третий блок умножения.
Сущность изобретения заключается в том, что.фазовый сдвиг между минус ЭДС вращения и током в фазовых обмотках якоря синхронной машины, измеряемой с помощью блока вычисления фазы, поддерживается равным нулю во всем диапазоне изменения скорости при проиэвольrloM взаимном расположении статоров синхронной машины и датчика положения ротора путем изменения напряжения возбуждения, подаваемого на квадратную обмотку датчика положения ротора, т.е. значение угла между магнитными потоками ротора синхронной машины и статора поддерживается оптимальным, равным 20 эл, град.
На фиг.1 изображена функциональная схема электропривода; на фиг.2 — функциональная схема блока вычисления ЭДС вращения; на фиг.3 — функциональная схема блока вычисления фазы; на фиг.4 — векторная диаграмма синхронной машины.
Вентильный электропривод содержит вентильный двигатель 1, который включает в себя двухфазную синхронную машину 2, первый 3 и второй 4 блоки умножения, первые входы которых обьединены. Выходы первого 3 и второго 4 блоков умножения подключены через усилители 5, 6 мощности соответственно к синусной 7 и косинусной
8 фазам обмотки якоря синхронной машины
2, последовательно с которыми соединены первый 9 и второй 19 датчики тока. В состав вентильного двигателя 1 входит также датчик 11 положения ротора, механически связанный с ротором синхронной машины 2, синусная 12 и косинусная 13 выходные обмотки которого подключены через первый
14 и второй 15 фазочувствительные выпрямители ко вторым входам первого 3 и второго 4 блоков умно>кения соответственно, Кроме того, датчик 11 положения ротора содер>кит основную 16 и квадратную 17 обмотки возбуждения. В состав вентильного двигателя 1 входит также источник 18 напряжения возбуждения, выход которого подключен к обмотке 16 возбуждения датчика 11 положения и через формирователь 19 опорного напряжения — к опорным входам фаэочувствительных выпрямителей 14, 15, Электропривод содержит также задатчик 20 частоты вращения, выход которого соединен с первым входом блока 21 сравнения, второй вход котооого соединен с выходом датчика 22 частоты вращения, а выход через предварительный усилитель 23 — с первыми входами первого 3 и втрого 4 блоков умножения. выходы первого 14 и второ — î 15 фазочувствительных выпрямителей подключены соответственно к первому и второму входам датчика 22 частоты вращения.
Кроме того, электропривод содержит первый 24 и второй 25 блоки вычисления
ЭДС вращения; блок 26 вычисления фазы, интегратор 27, сумматор 28, инвертор 29, третий блок 30 умножения, Первые входы первого 24 и второго 25 блоков вычисления
ЭДС вращения подключены соответственно к синусной 7 и косинусной 8 фазам обмотки якоря синхронной машины 2.
Первый вход блока 26 вычисления фазы объединен со вторым входом первого 24 блока вы .исления ЭДС и соединен с выходом первого 9 датчика тока в цепи синусной
7 фазы обмотки якоря синхронной машь .ны
2, второй вход обьединен со вторым входом второго 25 блока вычисления ЭДС и соединен с выходом второго 10 датчика тока коси1791953
30
sin 2л(т; (3) /
Ок-KgUo
cos (m (dt +/3(Г//, r ) j
55 нусной 10 фазы обмотки синхронной машины 2, третий и четвертый входы блока вычисления фазы подключены соответственно к выходам первого 24 и второго 25 блоков вычисления ЭДС, Выход блока 26 вычисления фазы через последовательно соединенные интегратор 27, сумматор 28, инвертор
29 и третий блок 30 умножения соединен с квадратурной обмоткой 17 датчика 11 положения ротора. Второй вход сумматора 28 соединен с входом интегратора 27, а второй вход третьего блока 30 умножения — с выходом источника 18 напряжения возбуждения.
Блоки 24 и 25 вычисления ЭДС вращения содержат, например, звено 31 фазового запаздывания (фиг.2), собранное на операционном усилителе 32 с резистором 33 в цепи обратной связи, входными резисторами 34, 35 и фазосдвигающим конденсатором 36, который подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя 32, а также трехвходовый сумматор 37, собранный на операционном усилителе 38 с резистором 39 в цепи обратной связи и входными резисторами 40-43. Выход звена 31 фазового запаздывания соединен со вторым входом трехвходового сумматора 31. Первым входом блока 24 (25) вычисления ЭДС является первый. вход трехвходового сумматора 37, BTopblM входом — соединенные между собой вход звена фазового запаздывания и третий вход трехвходового сумматора 37, Блок 26 вычисления фазы может быть выполнен, например, в виде первого 44, второго 45, третьего 46, и четвертого 47 блоков умножения (фиг.3), первого 48 и второго
49 алгебраических сумматоров и блока 50 деления, причем первый вход блока 26 вычисления фазы образует обьединенные между собой первый вход второго и второй вход третьего 46 блоков умножения, второй вход блока 26 — первый вход четвертого 47 и второй вход первого 44 блоков умножения, третий вход блока 26 — первые входы первого 44 и третьего 46 блоков умножения, а четвертый вход блока 26 — вторые входы второго 45 и четвертого 47 блоков умноже- 50 ния. Вход первого 44 и второго 45 блоков умножения подключены соответственно к первому и второму входам первого 48 алгебраического сумматора, а выходы третьего46 и четвертого 47 блоков умножения — с первым и вторым входами второго 49 алгебраического сумматора, выход первого 48 и второго 49 алгебраических сумматоров подключены соответственно к входам делителя и делимого блока 50 деления. Выход блока
50 деления образует выход блока 26 вычис ления фазы.
Датчик 22 частоты вращения реализован в соответствии со схемой, описанной в авт.св, N 1713072.
Вентильный электропривод работает следующим образом.
На обмотку 16 возбуждения датчика 11 положения ротора с выхода источника 18 напряжения возбуждения подается переменное напряжение
Ов = Ооэ!п2 ft, (1) где ОО1 — амплитуда и частота напряжения возбуждения; — время, Одновременно на квадратную 17 обмотку возбуждения датчика 11 положения ротора подается напряжение, являющееся произведением напряжения Us источника
18 и напряжения U ф(в,с), которые поступают на первый и второй выходы третьего блока 30 умножения;
Окв(г/>t) = UpU ф(г/>, t).slA27E ft. (2)
В соответствии с принципом работы датчика 11 положения на выходных синусной 12 и косинусной 13 обмотках формируется синусоидальные напряжения Uc и Ок, модулированные по амплитуде соответстBeHHG синусом и косинусом электрического угла P(t/> t) поворота ротора датчика 11 . положения, отсчитываемого от неподвижной оси отсчета ti, связанного со статором датчика 11 (фиг.4). Таким образом:
Uc-К /1+(gy((g t)j sln(m//)t+ 3(Ai, ))
sin 2л1т, (4) где К вЂ” коэффициент передачи датчика 11 положения;
m — число пар полюсов синхронной л ашины 2; и — частота вращения ротора двигателя;
j3 (N Л) — угол фазового сдвига напряжения на выходных синусной 12 и косинусной 13 обл1отках датчика 11 положения, вносимой напряжением Окв(ш t), поступающим на его квадратурную 17 обмотку возбуждения, оп редел яемый вы ражен иел :
P (//, t ) = згсс9
= агс19 Urp(//it) . .(5) 1791953
Kg((((
С достаточной степенью точности передаточную функцию фазочувствительных выпрямителей 14 и 15 можно представить в виде передаточной функции апериодического звена первого порядка: (Лф = — ) (8)
К
1+Тф Р
d где р =- — — символ дифференцирования;
Ж
Кф — коэффициент передачи фазочувствительного выпрямителя;
Тф — постоянная времени фазочувствитег ьного выпрямителя.
Таким образом, уравнения (6) и (7), описывающие напряжения на выходе фазочувствительных выпрямителей 14 и 15, представляются в виде
О14= К,АФ(и) 11 (О (01+ P() 1)-(,()ф(И ));
U15 = КдАф(и) У
О,сов(()1и 1+ /3(и 1).— ф(и < 1) Uosin(m (9) 1 +(U tj> ((О,+))
g)4, (и ), (10) Кф где А<1(а>)2 — амплитудно1 +(гп итф) частотная характеристика апериодического звена; ф(, (и) = агс19 m и Т4 — фазочувствительная характеристика апериодическаго звена.
Напря>кения U14, О15 поступают соог()е1ственно на первый и ()торой входы датчика 22 (встать) вращения, а так>ко llа
Напряжения Uo и О, поступают соответственна на первый 14 и второй 15 фазочувствительные выпрямители. на опорные входы которых подается напряжение прямоугольной формы с формирователя 19 опорного напряжения, полученное путем преобразования синусоидального напряжения, поступающего на его вход с источника
18 напряжения возбуждения. Следовательно, напряжения U14, U15 на выходе фазочувствительных выпрямителей 14 и 15 описываются уравнениями
О! 4= вторые входы блоков 3, 4 умножения вентильного двигателя 1.
В соответствии с принципом работы датчика 22 частоты вращения, на его выходе
5 формируется напряжение;
О22= mNТв =- Кси, (11) где Кс = m To — коэффициент обратной связи по скорости;
Т вЂ” постоянная времени апериодиче10 ского звена датчика частоты вращения.
Напряжение Uz2 с выхода датчика 22 частоты вращения, пропорциональное частоте вращения ротора синхронной машины
2, поступает на блок 21 сравнения, в кото15 ром сравнивается с напряжением U3 заданной частоты вращения вентильного двигателя, вырабатываемым задатчиком 20.
Сигнал О21 ошибки с выхода блока 21 сравнения, усиленный предварительным усили20 телем 23, поступает в виде напряжения постоянного тока на вход вентильного двигателя 1, Таким образом, напряжение на входе вентильного двигателя 1 равно:
U1=-(U — К и) К, (12)
25 где U! — напр (жение на входе вентильного двигателя;
Кл — коэффициент усиления предварительного усилителя 23.
В блоках 3, 4 напряжение U! умножает30 ся соответственно на напряжен(ля U14 и U(5, поступающие с фазочувствительных вь!прямителей 14, 15, Передаточную функцию усилителей 5, 6 мощности можно представить в виде пере35 даточной функции апериодическога звена первого порядка с передаточным коэффициентом Ку и постоянной времени Ту. Следовательно, напряжения, поступающие на синусную 7 и косинусную 8 фазы обмотки
40 якоря синхронной машины 2, описываются уравнениями: .. = Y„(U., К. UK = Kn(Vз — Кс И)К Аф(В)АуИ 1+ (U (1)) 45 Vo cos(m()> 1+,".(--1) Q() - 1 у (с)), (14) где K„ — коэффициент передачи блоков умножения; Ку Ау (и) — амплитуд50 1 +(m<иТф) но-частотная характеристика усилителей 5, 6 мощности; ф, (и) = arc19 m и Ту — фазочастотная характеристика усилителей 5, 6 мощно55 сти. Под действием этих напряжений в синусной 7 l1 косинуснай 8 фазах обмотки якоря г)ротека)от токи; I,с:- I) sin(m (c>1+ (> ((<>, () — 1/(<и ) )— 1791953 10 — 1в sin (m cd t + д (в, t ) — Q в 1 !в 1е sIn (m в t + (90 - О ) — фя (в ) ); (15) I = l3 c0s (m вt+P((d, t) — 7@et)) )— — 1в cos (m в t +P (в, t ) — Щ в) )— 1е соэ(п)в(+(90 О) — фя (в)), (16) где 1з= КпКн(.)о(.)зАф(В) ФУ (В) Ая (В) ) 10 (17) 1в= 1<п1<н KcN Uo @ ф(в) 6 (в) Aÿ (в) (18) 15 1е = Kå,Aÿ,(в) в; (19) ф в ) = фф (и ) + gy (m ) + g, (и ), (20) A,((d )— 1яя — ам плитуд1+(и) вТя) 20 но-частотная характеристика фазы обмотки якоря; фя (в) = arctgm(d T> — фазочастотнаЯ характеристика фазы обмотки якоря; Rg, Тя сопротивление и электромаг- 25 нитная и электромагнитная постоянная фазы обмотки якоря; Ке — конструктивный коэффициент синхронной машины 2; Π— угол между неподвижной осью от- 30 счета, связанной со статором датчика 11 положения и вектором магнитного потока или МДС ротора синхронной машины 2. Графическим изображением уравнения (15) является векторная диаграмма, пред- 35 ставленная на фиг.4. Из уравнений (15) и (16) и векторной диаграммы следует, что угол Фо между вектором магнитного потока ротора (в) и вектоРом тока статоРа 1ст или, что то же 40 самое, между магнитным потоком статора и магнитным потоком Фо ротора равен е1 (в. t) =О+)о(в, t) — Я(в)— — у(в), . (21) где У(в) — угол между векторами токов1з 45 и 1ст. Из теории известно, что вентильный электропривод настроен оптимально, если угол с (в) t) между векторами магнитного г 50 потока Ф, ротора и статора Фе равен т.е. е1 (в, t ) = O+P (cd, т ) — )„(в )— У(в) =,у (22) Анализ векторной диаграммы (фиг.4) показывает, что при выполнении условия (22) вектор 1ст тока фазы обмотки статора и вектор минус Ео — ЭДС вращения совмещаются, т.е. угол )(cd, t) между ними равен нулю. Следовательно, с учетом (211 получим: Л вЂ” л . ((d, t) 2 f.t (вт) (О) + + в) +у(в) — ф(в, t) =0, (23) Л где — О = mL — представляет собой угол между осью и вектором минус Е> ЭДС вращения и определяется угловой ошибкой L взаимной установки статора датчика 11 положения и статора синхронной машины 2 и ри сборке. Из уравнения (23) следует, что вентильный электропривод обладает оптимальными характеристиками, если угол P(в) фазового сдвига, вносимого наприяжением 0ке, поступающим на квадратурную 17 обмотку возбуждения датчика 11 положения. равен P(cd, t) =mL+gr.(в)+у(в). (24) Выполнение условия (24) обеспечивается контуром регулирования фазы /3 (и ) t, состоящим из датчика 11 положения ротора, фазочувствительных выпрямителей 14 и 15, умножителей 3, 4 напряжения, усилителей 5, 6 мощности, синхронной машины 2, датчиков тока 9, 10, блоков 24, 25 вычисления ЭДС вращения, блока 26 вычисления фазы, интегратора 27, сумматора 28, инвертора 29 и блока 30 умножения, путем изменения напряжения U Формирование напряжения 0,е(в t) происходит следующим образом. На первые входы блоков 24 и 25 поступают соответственно напряжения V<. U< с выходов усилителей 5, 6 мощности, а на их вторые входы поступают соответственно напряжения Us. Uio,пропорциональные токам в фазах обмотки статора. Ug = Вш1с. (2 5) Uio- Вш1к, (26) где RLU — сопротивление датчиков 9, 10 тока. Блоки 24, 25 вычисления ЭДС вращения реализует известную в теории электрических машин зависимость: Ео — --U+ IR +)1в L,,, (27) где U, 1, Ео — соответственно напряжение на обмотке статора, ток, протекаемый в обмотке и ЭДС вращения. Простейшая схема устройства, проводящего вычисления а соответствии с уравнением (27), приведена на фиг.2. Напряжение Uz> на выходе фазозапаздыва1791953 торого сумма этих напряжений поступает на вход делителя блока 50 деления. Таким образом, на выходе блока 26 вычисления фазы формируетсл напряжение:z 045 — 044 sin ) в, t 045+ 047 cos t)) в, с = Цф(в, t} (34) Напряжение Оф через последовательно соединенные интегратор 27, сумматор 28, инвертор 29, третий 30 блок умно>кения поступает на квадратурную 17 10 С учетом (38) система уравнений (37) преобразуется к влду: где Кн — коэффициент передачи блоков 44- с )(о), t }=-у(в) — P(o), t); 47 умно>кения. Р(в, С) =ф(в, t)+ fф(в, с) (39) Напрлженил 044и 045 поступа)от на вхо- «e y(«) p L 1 1)(в) + 1() ) (щ 55 лы алгебраического сумматора 48, с выхода Решение системы уравнений (39) устакоторого разность этих напряжений постУ навливает функциональну)о зависимость пает на вход делимого блока 50 деления. Угла1))(в, t) от частота в вращения роНапрл>кенил 048i и 047 )оступают на входы тора синхронной машины 2 и времени t алгебраи«е,кого сумматора 49, с выхода KQ-.. ющего звена 31 отстает от тока на 90 эл. Г() адусо в и равно U31 =- -jRiijl. (28) Напряжение 037 на выходе трехвходового сумматора 37 равно Оз7=- U + J Вш.1 + Рш.1 . (29) 1 39 38 R39 1 40 41 1 42 Сравнивая между собой уравнения (27) и (28) нетрудно установить, что если принято 1 39 1 39 R39 =1,, Rej=в1л,, Re) =Вл,то R40 41 42 048 = Ео. Таким образом, на выходах блоков 24, 25 формируются напряжения 024 025, про порциональные соответственно ЭДС вращения в синусной 7 и косинусной 8 фазах обмотки статора. Зти напряжения описываются выражениями: U24 = KeEosInm Й) t, (30) 025= KeEocosm о) с; (31) Гдо Ке коэффициент пропорциональности, Зти напряжения поступают соответственно на третий и четвертый входы блока 26 вычисления фазы. На первый и второй входы этого блока поступают соответственно напряжения с датчиков 9, 10 тока, описываемые в соответствии с векторной диаграммой (фиг.4) уравнениями U9 = RajlаSln(m й) С ф (В t)); 010=- Кш1аСОЭ()т) В t- 1))(ВС)), } (32) где 1а = mod(Ia —, 1 в - Ie) - амплитудное, значение тока в фазе. Блок 26 вычисляет тангенс между ЗДС фазы обмотки якоря и током, протекающим в обмотке, следующим образом, Под действлем напряжений, поступающих на вход блока 26 вычисления фазы, на выходе блоков 44 — 47 умно>кения формируютсл напря>кения: U44 = Кн024010 — 2 КнКеЕоВш1а(sin tj)(в t)+ sin(2гп вt — t)r(в, t)}; U45 = K„U25U9 = Кн Ke E o Rej la(s ln tj j(0) t)+ sin(2m0) t — ф(о)> с); U4p = К 02409 =- — КнКеЕо1Вш1а(сов ф(в t) — соэ(2гпа t — ф(о), с)}; I 047 = Кн025010 = КнКеЕо)Сш!а(сОэ ф(0) t) + cos(2m u) t — t) r(0) с)}, (33) обмотку возбу>кдения датчика 11 поло>кения, Следовательно, напряжение Ока, поступающее на квадратур ную обмотку, описывается выражением; U«(0) t) =-Uof0 t))(В,С)+ f ОСР(В, t) 81п2л tt. (35)
